肖 羚，陳 偉，鄒云麗，李艷梅，尹小濤

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司, 云南 大理 671000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

山區(qū)地形陡峻，公路建設(shè)經(jīng)常面臨較大環(huán)境擾動(dòng)和安全控制挑戰(zhàn)。狹窄空間斜坡建設(shè)場(chǎng)地、工程結(jié)構(gòu)、棄渣之間存在相互影響，如何實(shí)現(xiàn)三者安全并保障工作有序開(kāi)展是工程建設(shè)需要首先解決的基本問(wèn)題。

山區(qū)斜坡地形下公路建設(shè)研究主要包括：(1)公路斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及安全控制技術(shù)[1-6]；(2)鄰近棄渣場(chǎng)與既有斜坡的相互影響及安全控制技術(shù)[7-10]；(3)公路斜坡與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響及安全控制技術(shù)[11-14]；(4)公路斜坡、結(jié)構(gòu)、棄渣的相互影響及安全控制技術(shù)[15-18]。相關(guān)研究主要集中在工程建設(shè)對(duì)自然環(huán)境的改變、影響及安全控制，反之這種影響對(duì)工程自身安全的威脅及控制措施。研究的目的是弄清擾動(dòng)機(jī)制和影響范圍，為安全控制提供依據(jù)。

依托某山區(qū)高速公路斜坡橋梁建設(shè)路段，探討斜坡、棄渣和橋樁在改變地形下正常運(yùn)行工況的邊坡穩(wěn)定性演化機(jī)制，棄渣堆填過(guò)程對(duì)斜坡變形穩(wěn)定的影響，分析由此造成的橋樁結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施。量化評(píng)估環(huán)境影響，總結(jié)區(qū)域安全控制措施，提高建造水平和風(fēng)險(xiǎn)管控水平，為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 典型山區(qū)公路斜坡路段概況

1.1 工程概況

該路段主要沿河谷左側(cè)斜坡展開(kāi)，地形陡峻，進(jìn)場(chǎng)道路狹窄，施工作業(yè)空間狹小，工程棄渣順斜坡外側(cè)堆填，上部施作橋樁，斜坡表層覆蓋一定厚度碎石土層，下部為強(qiáng)風(fēng)化基巖。斜坡、橋樁、棄渣場(chǎng)的空間關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 斜坡、橋樁、棄渣場(chǎng)空間位置圖

勘察和設(shè)計(jì)提供的主要巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 斜坡路段主要地層巖土力學(xué)參數(shù)建議值表

1.2 環(huán)境影響評(píng)價(jià)計(jì)算方案

利用Slide建模，計(jì)算工程建設(shè)前后斜坡正常運(yùn)行工況的穩(wěn)定性變化，估算穩(wěn)定性達(dá)到1.35安全標(biāo)準(zhǔn)所需補(bǔ)償加固力，計(jì)算模型詳見(jiàn)圖2，將棄渣等效成豎向荷載作用在坡面。

圖2 初始地形和改變地形極限平衡法計(jì)算模型

為分析棄渣對(duì)斜坡變形影響機(jī)制和對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響程度，利用Phase2D軟件建立考慮棄渣過(guò)程的有限元模型，采用彈塑性本構(gòu)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。模型兩側(cè)法向約束，底部全約束。計(jì)算先進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，接著激活橋樁，然后開(kāi)始分步填筑棄渣，具體分級(jí)及填筑高度詳見(jiàn)圖3。

通過(guò)上述計(jì)算分析，綜合評(píng)估棄渣對(duì)斜坡公路建設(shè)造成的潛在影響，并提出了相應(yīng)安全控制措施。

2 棄渣對(duì)斜坡和橋樁的影響分析

2.1 棄渣對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響分析

2.1.1 極限平衡法

初始地形和改變地形的斜坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，限于篇幅以k32+733路段為例進(jìn)行展示，最不利滑面見(jiàn)圖4。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和補(bǔ)償加固力統(tǒng)計(jì)列于表2。

圖3 考慮邊幫棄渣分步填筑的斜坡樁數(shù)值模型

圖4 斜坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

由圖4和表2可知，初始地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.037、1.035、1.165，均小于1.350，均不滿(mǎn)足正常運(yùn)行工況安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。改變地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.303、1.057、1.256，均小于1.350，均不滿(mǎn)足正常運(yùn)行工況安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需采取加固措施。

表2 不同條件下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)和補(bǔ)償力統(tǒng)計(jì)表

改變地形穩(wěn)定性排序?yàn)閗32+733(1.303)>k33+053(1.256)>k32+973(1.057)，所需加固力排序?yàn)閗32+973(4 667 kN/m)>k33+053(1 478 kN/m)>k32+733(815 kN/m)。k32+733路段棄渣距離橋樁最短距離52.5 m、坡腳棄渣底部水平寬度約55.0 m，所需加固力小，且穩(wěn)定性改善最顯著；k32+973路段棄渣距離橋樁最短距離11.7 m、坡腳棄渣底部水平寬度約41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段棄渣距離橋樁最短距離0.0 m、坡腳棄渣底部水平寬度約73.0 m，距離近且底寬最大，所需加固力較大。

因此，仍需系統(tǒng)評(píng)估棄渣對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的安全影響。

2.1.2 有限元方法

為綜合評(píng)估棄渣對(duì)斜坡及橋樁帶來(lái)的影響，棄渣+斜坡+橋樁系統(tǒng)水平位移和剪應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖5，限于篇幅僅提供k33+053路段初始地形、棄渣完成階段的云圖。

由圖5可知，k33+053路段，初始位移mm級(jí)，在自然坡面，沿碎石土層剪切破壞；棄渣堆填后，變形dm級(jí)，沿棄渣與自然坡面結(jié)合部破壞。棄渣堆填改變了斜坡穩(wěn)定性，棄渣自身穩(wěn)定居主導(dǎo)，需要引起重視。

將k32+733路段、k32+973路段、k33+053路段各棄渣階段對(duì)應(yīng)的水平位移最大值和增量整理成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，k32+733路段，棄渣堆高超過(guò)15 m以后，位移增量超過(guò)cm級(jí)；35 m堆高以后，位移超過(guò)dm，最大堆高47 m時(shí)最大水平位移245 mm。k32+973路段，棄渣堆高超過(guò)40 m以后，位移增量超過(guò)cm級(jí)；61 m堆高，位移超過(guò)dm，最大為146 mm。k33+053路段，棄渣堆高超過(guò)40 m以后，位移增量超過(guò)cm級(jí)；55 m堆高，位移超過(guò)dm，最大為110 mm。棄渣對(duì)坡體變形的影響具有明顯的階段特征。

圖5 棄渣對(duì)k32+733路段斜坡+橋樁體系變形影響云圖

圖6 最大水平位移隨棄渣高度演化曲線(xiàn)

2.2 棄渣對(duì)斜坡橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)位移分析

為考察棄渣過(guò)程對(duì)斜坡橋樁水平位移的影響，將k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段各階段橋樁水平位移沿樁身分布曲線(xiàn)整體成圖7。

由圖7可知，k32+733路段，棄渣堆填到47 m樁身最大水平位移也才1.2 mm，其余堆填階段對(duì)樁身位移的影響都在mm級(jí)以下，可以認(rèn)為棄渣對(duì)橋

圖7 不同棄渣高度的橋樁水平位移曲線(xiàn)

樁結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有影響；k32+973路段，棄渣堆填到40 m以前樁身水平位移都在mm級(jí)變化，50 m高度之后位移變化急劇增加到cm級(jí)，最大水平位移22.8 mm；k33+053路段，棄渣堆填到30 m以前樁身水平位移都在mm級(jí)變化，40 m高度之后位移變化急劇增加到cm級(jí)，最大水平位移52.4 mm。由此可知，k32+733路段條件下，棄渣堆高47 m，對(duì)橋樁變形影響不大；k32+973路段條件下，棄渣堆高不宜超過(guò)40 m，否則對(duì)橋樁變形影響較大；k33+053路段條件下，棄渣堆高不易超過(guò)30 m，否則對(duì)橋樁變形影響較大。

2.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

為考察棄渣過(guò)程對(duì)斜坡橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，各階段橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，限于篇幅僅給出k33+053路段橋樁激活階段和堆填完成階段的橋樁軸力、彎矩、剪力等結(jié)構(gòu)內(nèi)力曲線(xiàn)。

圖8 棄渣對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響圖

由圖8可知，k33+053路段，棄渣堆填對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)軸力、彎矩、剪力的影響發(fā)生了數(shù)量級(jí)變化，可以認(rèn)為棄渣對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全有顯著影響，明顯使得橋樁設(shè)計(jì)的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載，棄渣需要遷移控高處置，具體控制高度可綜合確定。

將k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值統(tǒng)計(jì)繪制成曲線(xiàn)，詳見(jiàn)圖9。

由圖9可知，k32+733路段，軸力、彎矩、剪力曲線(xiàn)平緩，可以認(rèn)為棄渣堆積對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有影響；k32+973路段，軸力、彎矩、曲線(xiàn)在超過(guò)40 m之后最大值曲線(xiàn)急劇上揚(yáng)、最小值曲線(xiàn)小角度下沉，最大值變化比最小值變化劇烈，堆高不宜超過(guò)40 m；k33+053路段，軸力、彎矩、曲線(xiàn)在超過(guò)40 m之后最大值曲線(xiàn)急劇上揚(yáng)、最小值曲線(xiàn)下沉，最大值變化比最小值變化劇烈，相對(duì)其他路段變化最劇烈，堆高不宜超過(guò)40 m。

圖9 橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值隨棄渣高度演化曲線(xiàn)

2.3 工程監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)及反饋

施工單位對(duì)k33+053路段選擇外側(cè)橋樁在施工中埋設(shè)測(cè)斜管和鋼筋計(jì)，見(jiàn)圖10；測(cè)試數(shù)據(jù)整理成圖11(a)和圖11(b)。

圖10 橋樁內(nèi)部安裝測(cè)斜管及鋼筋計(jì)圖

由圖11可知，上部樁身受棄渣影響較大，最大位移約5 mm，最大剪力192.4 kN，橋樁豎向承載變?yōu)榧羟谐休d+豎向承載，后期施工方采取了減載+控制棄渣堆填高度處置措施后，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

圖11 橋樁監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)斜坡+橋樁+棄渣系統(tǒng)的極限平衡法和有限元綜合分析，所得主要結(jié)論如下：

(1) k32+733路段棄渣距離橋樁最短距離52.5 m、坡腳棄渣底部水平寬度約55.0 m，所需加固力最?。籯32+973路段棄渣距離橋樁最短距離11.7 m、坡腳棄渣底部水平寬度約41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段棄渣距離橋樁最短距離0.0 m、坡腳棄渣底部水平寬度約73.0 m，所需加固力居中。因此，棄渣距離橋樁越遠(yuǎn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響越?。粭壴讓捲綄?初始坡面越緩，對(duì)斜坡的穩(wěn)定增強(qiáng)效果越顯著。

(2) 棄渣堆積改變了斜坡變形破壞機(jī)制，初始地形下沿碎石土層的剪切滑移變?yōu)楦淖兊匦蜗卵貤壴鼉?nèi)部和棄渣與斜坡結(jié)合部剪切破壞，初始地形水平變位很小，小于mm級(jí)；棄渣堆積后，k32+733路段最大堆高47 m最大水平位移245 mm；k32+973路段最大堆高61 m最大水平位移146 mm；k33+053路段最大堆高55 m最大水平位移110 mm。斜坡棄渣系統(tǒng)的變形具有明顯的階段特征。

(3) k32+733路段，棄渣整個(gè)堆填過(guò)程，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在同一量級(jí)變化，對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有影響，可不做控高處置，僅需坡面整形+截排水處理。k32+973路段和k33+053路段，棄渣堆填高度超過(guò)40 m之后，內(nèi)力急劇變化，橋樁由設(shè)計(jì)的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載，結(jié)構(gòu)安全受到威脅，棄渣需要遷移控高處置，控制高度不宜超過(guò)40 m，同時(shí)還需要坡面整形+截排處理。

(4) 橋樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)揭示的最大剪力192.4 kN，樁頂最大水平位移約5 mm，在控制棄渣堆填高度后，變形和內(nèi)力趨于穩(wěn)定。